Содержание к диссертации
Основные термины, сокращения и условные обозначения. 7
ВВЕДЕНИЕ 9
Актуальность работы 9
Цель работы 9
Объекты исследования... j 9
Предмет исследования 9
Методы исследования 9
Научная новизна 10
Основные положения, выносимые на защиту 10
Практическая ценность 10
Реализация результатов работы 11
Апробация работы 11
Публикации 12
Структура и объем работы 12
ГЛАВА 1. АНАЛИЗ РАБОТ ПО ОЦЕНКЕ ПАССИВНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ И НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ КУЗОВНЫХ КОНСТРУКЦИЙ АВТОТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ 13
1.1. Анализ работ но общим проблемам кузовостроения 13
1.2. Анализ работ по проблемам оценки прочности кузовных конструкций 14
1.3. Анализ работ по проблемам оценки пассивной безопасности кузовных конструкций 15
1.4. Анализ расчетных методов оценки пассивной безопасности кузовных конструкций 18
1.5. Требования пассивной безопасности 24
Выводы по главе 1 27
ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСЧЕТНОЙ ОЦЕНКИ ПАССИВНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ КУЗОВОВ ЛЕГКОВЫХ И КАБИН ГРУЗОВЫХ АВТОМОБИЛЕЙ ПРИ ОПРОКИДЫВАНИИ 29
2.1. Критерии оценки пассивной безопасности кузовов легковых и кабин грузовых автомобилей при опрокидывании 31
2.2. Основы расчета конструкций по предельному состоянию 32
2.2.1. Механические свойства материала 32
2.2.2 Особенности метода предельного равновесия 32
2.2.3. Предельное равновесие сечения балки 34
2.2.4. Пластический момент сопротивления сечения 34
2.2.5. Инженерный расчет конструкций по предельному состоянию 35
2.2.6. Модифицированный алгоритм инженерного расчета кузовных конструкций
2.2.6.1. Влияние работы внутренних сил на упругих деформациях 38
2.2.6.2. Учет действия скручивающих моментов 38
2.2.6.3. Учет потери геометрической формы сечения в пластическом шарнире 40
2.2.6.4. Основное уравнение уточненного инженерного расчета 41
2.2.7. Вычисление геометрических характеристик тонкостенных сечений силовых элементов кузовных конструкций 42
2.2.7.1. Теоретические основы расчета геометрических характеристик 42
2.2.7.2. Структурная схема алгоритма программы расчет 44
2.2.7.3. Интерфейс программы 45
2.2.7.4. Структурная схема программы
2.3. Алгоритм расчетной оценки пассивной безопасности кузовов и кабин на основе уточненных зависимостей инженерного метода 50
2.4. Основные положения метода конечных элементов применительно к компьютерному моделированию аварийных ситуаций и оценке пассивной безопасности кузовов и кабин автомобилей при опрокидывании 52
2.4.1. Базовые определения и главные соотношения 52
2.4.2. Учет нелинейности при расчете конструкций
2.4.2.1. Явная схема интегрирования. Метод центральных разностей 56
2.4.2.2. Неявная схема интегрирования. Метод Ньютона 60
2.4.3. Особенности компьютерного моделирования ударных процессов, происходящих
при опрокидывании автомобилей 65
2.4.3.1. Проблемы обеспечения достоверности результатов компьютерного моделирования аварийных ситуаций 65
2.4.3.2. Особенности разработки подробных расчетных моделей 67
2.4.3.3. Определение величины шага интегрирования по времени 68
2.4.3.4. Использование оболочечных элементов 72
2.4.3.5. Основные понятия контактного взаимодействия 80
2.4.3.6. Особенности компьютерного моделирования характеристик материалов... 85
2.4.3.7. Рекомендации по разработке конечно-элементных моделей 97
2.4.4. Особенности подготовки подробных конечно-элементных моделей кузовов и
кабин автотранспортных средств 98
2.4.4.1. Импортирование геометрии детали 98
2.4.4.2. Разбиение сложной поверхностной модели на множество простых участков 98
2.4.4.3. Присвоение конечным элементам свойств и материала 99
2.4.4.4. Нанесение конечно-элементной сетки на поверхность детали 100
2.4.4.5. Проверка качества конечно-элементной сетки 101
2.4.4.6. Смещение конечных элементов модели 103
2.4.4.7. Моделирование сварных соединений 104
2.4.4.8. Контроль начальных взаимопроникновений 106
2.4.4.9. Закрепление и нагружение модели. Задание параметров расчета 108
2.5. Процедура расчетной оценки ПБ кузовов и кабин на основе результатов
компьютерного моделирования условий опрокидывания 110
Выводы по главе 2 112
ГЛАВА 3. РАСЧЕТНАЯ ОЦЕНКА ПАССИВНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ И НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ КУЗОВОВ ЛЕГКОВЫХ И КАБИН ГРУЗОВЫХ АВТОМОБИЛЕЙ В УСЛОВИЯХ ОПРОКИДЫВАНИЯ ИЗ
3.1. Анализ несущей способности по разрушающим нагрузкам тонкостенных элементов кузовных конструкций 114
3.1.1. Постановка задачи 114
3.1.2. Анализ поведения тонкостенных элементов и характера изменения формы их сечений в зоне пластических деформаций 1
3.1.2.1. Определение характера разрушения и поправочных коэффициентов для силовых элементов с прямоугольными открытыми и закрытыми сечениями 118
3.1.2.2. Определение характера разрушения и поправочных коэффициентов для силовых элементов с круглыми (кольцевыми) трубчатыми сечениями 129
3.1.2.3. Нахождение функций изменения поправочных коэффициентов в
зависимости от геометрических параметров сечений 130
Результаты и выводы по разделу 134
3.2. Оценка пассивной безопасности и несущей способности по предельному
состоянию кузовов легковых автомобилей в условиях опрокидывания 135
3.2.1. Оценка несущей способности кузова легкового автомобиля ГАЗ-31105
в условиях опрокидывания 136
3.2.1.1. Выбор конечно-элементной модели автомобиля 136
3.2.1.2. Оценка несущей способности кузова в условиях возможного опрокидывания автомобиля методом конечных элементов 136
3.2.1.3. Оценка несущей способности кузова автомобиля в условиях опрокидывания по результатам инженерного расчета 142
3.2.2. Оценка несущей способности кузова легкового автомобиля ВАЗ-1118 «Калина»
в условиях опрокидывания 150
3.2.2.1. Особенности конструкции кузова легкового автомобиля ВАЗ-1118 150
3.2.2.2. Выбор конечно-элементной модели кузова 150
3.2.2.3. Оценка несущей способности кузова в условиях возможного опрокидывания автомобиля на основе метода конечных элементов 156
3.2.2.4. Оценка несущей способности кузова автомобиля по результатам инженерного расчета 162
3.2.3. Оценка пассивной безопасности легкового автомобиля с измененной
кузовной конструкцией в условиях опрокидывания 171
3.2.3.1. Описание вносимых изменений в конструкцию кузова автомобиля 172
3.2.3.2. Расчетная оценка пассивной безопасности измененной 174
кузовной конструкции на основе результатов компьютерного моделирования условий опрокидывания
3.2.3.4. Оценка несущей способности каркаса по результатам инженерного расчета 177
3.2.4. Оценка пассивной безопасности кузова легкового автомобиля в условиях о
опрокидывания. Анализ влияния дверей и стекол на несущую способность 183
Результаты и выводы по разделу 186
3.3. Оценка пассивной безопасности и способности кабин грузовых
автомобилей в условиях опрокидывания 187
3.3.1. Оценка несущей способности кабины грузового автомобиля
ГАЗ-53А в условиях опрокидывания через передний угол крыши 188
3.3.1.1. Выбор конечно-элементной модели кабины 188
3.3.1.2. Оценка способности кабины на основе метода конечных элементов в условиях, имитирующих опрокидывание через передний левый угол крыши 189
3.3.1.3. Оценка несущей способности кабины грузового автомобиля по результатам инженерного расчета 195
3.3.2. Оценка пассивной безопасности кабины грузового автомобиля
КОМ «РУСАК» в условиях опрокидывания 209
3.3.2.1. Выбор конечно-элементной модели кабины 209
3.3.2.2. Анализ работоспособности кабины в условиях опрокидывания автомобиля через передний угол крыши
3.3.2.2. Анализ и оценка влияния дверей на пассивную безопасность кабины 213
3.3.2.3. Анализ влияния раскосов, расположенных в задней стенке кабины, на ее пассивную безопасность в условиях действия вертикальной
аварийной нагрузки 214
3.3.3. Оценка пассивной безопасности дополнительной кабины грузового автомобиля КамАЗ-43118 противопожарной службы 218
3.3.3.1. Выбор конечно-элементной модели дополнительной кабины 218
3.3.3.2. Оценка несущей способности каркаса при аварийном вертикальном нагружении 219
Результаты и выводы по разделу 224
Выводы по главе 3 225
ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ КУЗОВНЬЕК КОНСТРУКЦИЙ И ИХ ЭЛЕМЕНТОВ. СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И РАСЧЕТОВ 228
4.1. Экспериментальная оценка несущей способности тонкостенных силовых элементов
4.1.1. Описание стенда 228
4.1.2. Калибровка (тарирование) измерительной аппаратуры 231
4.1.3. Анализ результатов расчетно-экспериментальных исследований 234
4.2. Расчетно-экспериментальная оценка несущей способности силовых контуров кузовных конструкций, исследование поведения сечений их силовых элементов 243
4.3. Расчетно-экспериментальные исследования жесткости кузова легкового и кабины грузового автомобилей 250
4.3 Л. Расчетно-экспериментальная оценка жесткости кузова легкового автомобиля 250
4.3.2. Расчетно-экспериментальная оценка жесткости кабины грузового автомобиля 252
Выводы по главе 4 255
ОБЩИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 256
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 258
ПРИЛОЖЕНИЯ 266
Приложение 1
Характеристики сечений элементов кузова автомобиля ГАЗ-31105 в местах появления
пластических зон (шарниров) 267
Приложение 2
Геометрические характеристики сечений элементов кузова автомобиля ГАЗ-31105
упрощенной формы 270
Приложение 3
Характеристики сечений элементов кузова автомобиля ВАЗ-1118 в местах появления
пластических зон (шарниров) 271
Приложение 4
Геометрические характеристики сечений элементов кузова автомобиля ВАЗ-1118
упрощенной формы 274
Приложение 5
Характеристики сечений элементов каркаса автомобиля УАЗ-31514 в местах
появления пластических зон (шарниров) 275
Приложение 6
Характеристики сечений элементов кабины автомобиля ГАЗ-53А в местах появления
пластических зон (шарниров) 276
Приложение 7
Геометрические характеристики сечений элементов кабины автомобиля ГАЗ-53А
упрощенной формы 278
Приложение 8
Акты внедрения результатов диссертационной работы 279
Введение к работе
Актуальность работы
Повышение безопасности дорожного движения имеет важное народно-хозяйственное значение. В этой связи наблюдается постоянное ужесточение требований пассивной безопасности, предъявляемых к автотранспортным средствам. Статистические данные показывают, что опрокидывание автомобиля - не самый частый вид дорожно-транспортных происшествий. Тем не менее, среди аварий с тяжелыми последствиями доля опрокидываний намного выше, чем, к примеру, боковых столкновений или наездов сзади. Поэтому задача повышения пассивной безопасности кузовов легковых и кабин грузовых автомобилей в условиях опрокидывания является весьма актуальной в настоящее время. Важная роль при разработке безопасных кузовных конструкций автомобилей отводится применению расчетных методов оценки пассивной безопасности. Несмотря на достигнутые успехи в этом направлении, еще остаются недостаточно изученными вопросы поведения тонкостенных элементов и их сечений в области больших пластических деформаций. Требуют уточнения функциональные зависимости разрушающих нагрузок от значений пластических моментов сопротивления сечений, изменяющихся в процессе разрушения. Необходимо дальнейшее развитие методики оценки пассивной безопасности с применением компьютерного моделирования условий, предусмотренных Правилами ЕЭК ООН, ГОСТами, ОСТами и другими нормативными документами. Решению этих актуальных задач посвящена данная диссертационная работа.
Цель работы
Разработка методики расчетной оценки пассивной безопасности кузовов легковых и кабин грузовых автомобилей при опрокидывании на основе результатов компьютерного моделирования условий испытаний, расчетов по предельному состоянию конструкций с применением уточненных зависимостей и практическая реализация полученных результатов.
Объекты исследования
Кузова легковых автомобилей ВАЗ-1118 «Калина», ГАЗ-31105 «Волга». Кабины грузовых автомобилей ГАЗ, Русак. Дополнительная кабина автомобиля противопожарной службы на шасси КамАЗ. Кузов автомобиля УАЗ с внесенными в конструкцию изменениями.
Предмет исследования
Методика расчетной оценки пассивной безопасности и несущей способности кузовов легковых и кабин грузовых автомобилей в условиях опрокидывания.
Методы исследования
Исследования пассивной безопасности кузовов и кабин основываются на применении методов математического и компьютерного моделирования.
Расчеты разрушающих нагрузок и энергоемкости кузовных конструкций в условиях аварийного нагружения проведены на основе усовершенствованных зависимостей инженерного (кинематического) метода.
Расчеты в нелинейной постановке при статическом и динамическом приложении нагрузок, имитирующих условия опрокидывания в соответствии с требованиями Правил ЕЭК ООН, ГОСТ, ОСТ проведены на основе метода конечных элементов с использованием современных программных комплексов.
Экспериментальные исследования проведены на стендах лаборатории кафедры «Автомобили и тракторы» НГТУ им. Р.Е. Алексеева.
Научная новизна
Научную новизну работы составляют:
• алгоритм расчета несущей способности конструкций по предельному состоянию на основе уточненных зависимостей инженерного метода в условиях опрокидывания автомобилей;
• функциональные зависимости изменения поправочных коэффициентов и их значения для определения пластических моментов сопротивления тонкостенных сечений;
• процедура подготовки, особенности расчета подробных конечно-элементных моделей кузовов, кабин с учетом их ударного нагружения и возникающих больших пластических деформаций в условиях имитации опрокидывания автомобилей.
Основные положения, выносимые на защиту
Из теоретических разработок:
• особенности разработки, математического описания и расчета подробных конечно-элементных моделей кузовов и кабин, выбора внутренних и внешних граничных связей, ударной нагрузки при компьютерном моделировании условий опрокидывания автомобилей;
• алгоритм расчета разрушающих нагрузок для кузовов и кабин в условиях опрокидывания автомобилей;
• алгоритм и программа расчета пластических характеристик сечений с учетом изменения их форм и введения поправочных коэффициентов.
Из научно-методических разработок:
• методика расчетной оценки пассивной безопасности, несущей способности кузовов и кабин, основанная на уточненном инженерном расчете и компьютерном моделировании условий аварийного нагружения, возникающих при опрокидывании автомобилей.
Из научно-технических разработок:
• результаты исследований пассивной безопасности и несущей способности рассматриваемых объектов;
• разработанные конечно-элементные модели кузовов и кабин;
• предложения и практические рекомендации по повышению пассивной безопасности кузовов легковых и кабин грузовых автомобилей.
Практическая ценность
Разработанная методика позволяет на ранних стадиях проектирования выбирать безопасные силовые схемы кузовных конструкций и проводить экспресс-оценку пассивной безопасности автомобилей с внесенными в их конструкцию изменениями. Она дает возмолшость оценивать безопасность кузовов и кабин при доводке их конструкций, а также при сертификации / автотранспортных средств на основе результатов компьютерного моделирования условии опрокидывания с применением пакетов программ на базе метода конечных элементов.
Материалы диссертации могут быть использованы в конструкторских и расчетных отделах автомобильных предприятий и фирм, в органах по сертификации автотранспортных средств, в научно-исследовательских институтах и ВУЗах.
Реализация результатов работы
Разработанная методика, расчетные модели, результаты исследований внедрены и использованы в расчетных и конструкторских отделах :
• ОАО «АВТОВАЗ» при разработке расчетной модели кузова автомобиля ВАЗ-1118 «Калина», в рамках выполнении НИР по межотраслевой программе сотрудничества Министерства образования и науки РФ и ОАО «АВТОВАЗ»;
• ООО «Русак» группы компаний «КОМ» при разработке безопасной конструкции кабины грузового автомобиля «Русак»; а также при разработке рациональных конструкций рам и безопасных кузовов низкопольных автобусов;
• ООО «ПЕЛЕНГ» при разработке безопасной конструкции сдвоенной кабины автомобиля противопожарной службы;
• ЦБДДТЭ (Центр безопасности дорожного движения и технической экспертизы) НГТУ им Р.Е. Алексеева, а также в НП «ИНСАТ» (Некоммерческое партнерство «Институт сертификации автомототехники») при разработке методики экспертной оценки, пассивной безопасности автотранспортных средств, с внесенными изменениями в кузовные конструкции;
• ООО «Чайка-НН» при разработке силовой схемы и чертежной документации каркаса кузова автобуса на базе узлов и агрегатов удлиненного автомобиля ГАЗ-3310 «Валдай»;
• в учебном процессе кафедры «Автомобили и тракторы» НГТУ им. Р.Е. Алексеева: в курсах «Строительная механика автомобиля», «Основы проектирования кузовов», «Прочность и безопасность кузовных конструкций»; при выполнении дипломных проектов и магистерских диссертаций.
Указанные работы выполнены соискателем совместно с коллективом кафедры «Автомобили и тракторы» НГТУ им. Р.Е. Алексеева
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
• III всероссийской молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки». - НГТУ.- Н.Новгород. (2004 г.)
• Всероссийской научно-технической конференции, посвященной 30-летию кафедры «Строительные и дорожные машины» - НГТУ. - г. Н.Новгород (2004 г.)
• IV всероссийской молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки». - НГТУ.- Н.Новгород. (2005 г.)
• международной конференции, посвященной 70-летию каф. «Автомобили и тракторы» НГТУ «Проектирование, испытания и эксплуатация транспортных машин и транспортно-технологических комплексов». - НГТУ.- Н.Новгород. (2005 г.) • V международной молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки», - НГТУ. - Н.Новгород (2006 г.)
• XII Нижегородской сессии молодых ученых, г. Татинец, (2006 г.)
• VI международной молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки», - НГТУ. - г. Н.Новгород (2007 г.)
• VII международной молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки», - НГТУ. - г. Н.Новгород (2008 г.)
• Всероссийской научно-технической конференции, посвященной 35-летию кафедры «Строительные и дорожные машины» - НГТУ. - г. Н.Новгород (2008 г.)
• 62-ой международной научно-технической конференции Ассоциации автомобильных инженеров, посвященной 50-летию Женевского Соглашения 1958 года, - Дмитров-7, ФГУП НИЦИАМТ (2008 г.)
Публикации
Основные положения и результаты диссертационной работы опубликованы в 26 изданиях, в том числе 13 научных статьях, из которых 4 статьи опубликованы в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 3 учебно-методических разработках и 10 тезисах докладов.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, списка использованной литературы из 155 наименований, приложения. Диссертация содержит 265 страниц основного машинописного текста, включая 261 рисунок, 31 таблицу и 19 страниц приложения с таблицами результатов расчетов и актами внедрения результатов работы.
Похожие диссертации на Разработка методики расчетной оценки пассивной безопасности кузовов и кабин автомобилей при опрокидывании
